[发明专利]一种带特征线风格化的三维网格模型的非真实感渲染方法

说明书

技术领域

本发明属于计算机图形技术领域，涉及到一种对三维网格模型的卡通化渲染和特征线风格化的方法。

背景技术

随着图形硬件的飞速发展，对三维网格模型进行非真实感渲染已经成为一种趋势。非真实感渲染(Non-Photorealistic Rendering)泛指一切产生具各种手绘风格的图形图像渲染技术，其目的在于用计算机自动实现绘画艺术创作。在人们的生产和生活中，卡通、动漫、电子游戏中均有广泛的运用前景都用了非真实感渲染，最常见的是卡通渲染。利用非真实感渲染技术，可以对同一场景采用多种风格绘制，比如铅笔画，油画，水彩以及素描效果，也可以快速的模拟某位作家的作画风格；将卡通渲染应用到动画产业中，可以进一步优化计算机辅助动画制作流程，提高卡通动画制作的效率。

轮廓线刻画了三维网格模型的基本外观，在非真实感渲染视觉效果方面扮演重要的角色。轮廓线的风格化绘制(Stylized SilhouetteRendering，SSR)是非真实感渲染的一项重要技术，通过SSR可以模拟各种绘画材质和绘制手法，广泛应用在动画、游戏、娱乐以及儿童出版物插图等。风格化特征线得到了广泛的重视，人们也先后提出了一些典型方法。

轮廓线风格化绘制(SSR)首先检测出三维网格模型的轮廓线，然后采用某种风格的笔划描画这些轮廓线，就可以得到不同风格的艺术图案。轮廓线分为五类：包括表示物体外围轮廓的第一类轮廓线、表示锐边(sharp edge)也被称为凸边(ridge edge)的第二类轮廓线、表示凹边(valley edge)的第三类轮廓线、表示边界(boundary，border edge)的第四类轮廓线、以及表示阴影轮廓(Shadow Outline)和材质边界轮廓(TextureBoundary Outline)的第五类轮廓线。

常用的三维轮廓线检测方法有：

1、基于边的遍历检测方法：视点确定后，直接遍历所有的边，如果一条边相邻两个面是朝前面和朝后面的组合，那么这条边为第一类轮廓线，其中，视线与面法向量乘积小于0，该面为朝前面，反之，该面为朝后面。直接检测方法简单有效，并且可以保证找到所有的轮廓线。但是它有一个明显的缺点，在视点变化的时候需要重新遍历所有边。

2、基于面的遍历检测方法：Buchanan利用“边缓存”数据结构遍历面获得轮廓线。此方法不必知道边有哪些相邻面，速度上对于没有硬件加速的特殊情况可以极大提高检测效率。该方法的缺点是对封闭物体处理比较好，但是对于不封闭的物体处理效果不理想。

3、随机检测方法：由Markosian等人提出，这种方法不需要检测所有的边，而是在找到小部分轮廓边的情况下去判断它们的邻接边是不是轮廓边，这样递归查找下去。该方法牺牲了一定的精度和细节来提高绘制速度，由于轮廓边是单独标识，可以采用多种风格绘制轮廓线。

4、基于自由曲面描述物体的轮廓线方法：Hertzmann提出了检测面片表示的光滑曲面的轮廓线的方法。

以上方法只考虑了模型轮廓线，只表现模型的外围轮廓线，细节表现不强。DeCarlo引入启发示轮廓(suggestive contour)协助物体轮廓线指示物体的实际形状，可以动态展示物体的特征。这些线能够强调一个角色的局部特征，但又不像物体轮廓线那么明显，丰富了计算机艺术创作的细节。DeCarlo给出图形空间和图像空间上启发式轮廓的求解方法。其中，在图形空间，判断该点是否为轮廓条件为该点的径向曲率是为0。

轮廓线风格化绘制(SSR)可以通过绘制笔划中的抖动和在笔画纹理、宽度上的变化来体现多种手绘效果。目前现有方法主要是针对第一类轮廓线。其中，Northrup通过将模型上的点沿相邻两边的角平分线方向扩展构造用于纹理映射的四边形。McGuire则沿边的垂直方向延伸构造四边形，需要额外的计算去填充边与边之间的间隙。

对三维网格模型的表面进行卡通渲染的应用也非常广泛。传统的卡通渲染首先构造一个一维纹理，其像素值只有白色，不同程度的灰色，黑色，然后根据顶点的法线与光线方向的角度设置纹理坐标。该物体表面将会出现明暗变化，但明暗间过渡不平滑。因此传统的卡通渲染只能使三维网格模型表面出现简单的明暗过渡，三维网格模型内部特征表现不明显。Barla对传统的卡通渲染方法进行改进，将一维纹理推广到二维，利用二维纹理对三维网格模型进行渲染，能够使三维网格模型表面显示塑料或者金属的高光效果。但是这种方法只能使三维网格模型表面模拟有限材质效果，模型的表现力比较单一。

发明内容